CN1695049A - 具有疏水涂层的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量压力的压力传感器，包括：压力室；以及形变体，其可以被加载要测量的压力下的介质，且至少部分地限制压力室并以压力密封的方式将该压力室对于介质关闭；其中传感器室的壁具有疏水涂层，该疏水涂层通过气相淀积来施加。疏水涂层优选地包括硅烷。特别适合的是具有一或多个疏水基团R和一或多个结合基团X的硅烷。特别优选为：R－Si－X₃、R₁R₂－Si－X₂、R₁R₂R₃－Si－X。疏水基团R优选为烷基、全氟烃基、苯基或全氟苯基基团。结合基团X优选为OH(硅烷醇)、－X(卤化物、例如C1)、－OR(酯，例如OCH₃)、－NH₂ (胺)或SH(疏基硅烷)。此外，可以使用脂肪族或环族硅氮烷Si－NH－Si，例如六甲基二硅氮烷。同样合适的有R_y－Me－X_z类型的组合物，Me例如为Zr、Ti。

Description

具有疏水涂层的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种具有疏水涂层的相对压力传感器。

背景技术

相对压力传感器通常测量正被测量的介质上的压力与当前周围大气压力之间的压差。一般而言，相对压力传感器包括基体，测量膜或振动膜压力密封地附接在其边缘上，在测量膜与基体之间形成了压力室。对于相对压力测量，通过基体中的开口把参考空气导入压力室，并且背对测量室的测量膜表面被加载正被测量的压力。测量膜所发生的形变是相对压力的量度，且被以合适的方式转换为测量信号。

上述的导入参考空气会把水分导入压力室，当温度降低至露点时，水分在传感器里面凝聚。这会降低传感器的功能。特别在传感器周围的空气具有高于要测量其压力的介质的温度时更是如此。

甚至在还未出现具有不希望出现的副作用的宏观凝聚时，仍然有一部分水分子已被从气相中吸附到传感器内的表面上，这一部分是相关表面的温度与该表面和水分子之间的吸附能量的函数。吸附能量越大，则有更多的水分子积聚在传感器内的表面上。

在陶瓷压力传感器的情况中，所描述的问题由于与制造相关的材料属性而更加严重，如下所述。测量膜和基体的原料就是所谓的生坯，生坯由粉状原材料和粘合剂形成，然后进行烧结，因此烧结体是从生坯获得的。通常，烧结体必须磨光或研磨，这不仅导致了表面粗糙，还导致了可能出现的微细裂缝。

为了从膜烧结体和基体烧结体制造出压力传感器，把基体和膜在其边缘上焊接或钎接在一起，其中间插有间隔，使得形成上述的室。焊料或活性钎接材料自身可以作为间隔。焊料的示例是玻璃粉，而活性钎接材料可以是例如NiTiZr合金，其中NiZr部分大约等于NiZf共晶体；如美国专利No.5,334,344。焊接或钎接也称为接合。

在接合膜与基体之前，向表面施加电极，表面在接合之后将在该室内互相相对。这些电极例如由钽构成，如美国专利No.5,050,034，并且通常通过溅射方式施加。但是，采用溅射方式，不能防止由于所谓的欠溅射而在表面上出现电极材料的微小且互相电隔离的岛，其中这些表面中没有这种电极材料。

由于参考空气的水分子同时淀积在粗糙表面上且渗入细裂缝，所以在电极材料的隔离岛之间出现了电连接，因此基体电极的区域变大。由于毛细凝聚而出现在细裂缝中水同样影响了基于其介电常数的有效电极区域。但是，这导致了压力传感器的零点发生偏移。参考空气的相对湿度越高，则这种影响越大。

这些问题通过施加二氧化硅的旋涂玻璃层的完好的电极得到了有限的解决，其主要用于解决另一问题；参见美国专利No.5,400,489。但是，这只能处理高达大约80％的相对湿度。因此，这种压力传感器的零点在80％的相对湿度下和参考温度40℃下可能发生高达1％的范围的偏移。对于高度精确的测量，这是不能接受的。

为了改善容许增加相对空气湿度的能力，欧洲专利申请EP1061351建议了用疏水材料涂敷传感器的内表面，这种应用优选使用硅烷。

特别是在陶瓷相对压力传感器的情况中，对于制造传感器具有附加的难度，只有在把分离的膜与基体连接之后才能进行注入，因为连接期间的温度对于有机涂层材料来说太高。因此，涂层材料必须通过基体中的开口导入压力室。

受让人制造相对压力传感器，其注入有硅烷薄膜，硅烷通过具有高蒸气压力的溶剂被引入压力室。虽然与没有注入物的压力传感器相比，这些注入物确实代表了很大的改善，但是对于疏水涂层的质量仍然有很大的改进空间。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有改善的疏水涂层的压力传感器和用于制造这种压力传感器的方法。

通过独立权利要求1所限定的压力传感器和独立权利要求10所限定的方法可以实现根据发明的目的。

用于测量压力的本发明的压力传感器包括：压力室，也称为传感器室；以及形变体，其可以被加载要测量的压力下的介质，且另外至少部分地限制压力室，并使该压力室对于介质以压力密封的方式封闭；传感器室的壁具有疏水涂层，其中另外，该疏水涂层通过气相淀积的方式而施加。

疏水涂层优选地包括硅烷。特别适合的是具有一或多个疏水基团R和一或多个结合基团X的硅烷。特别优选为：R-Si-X₃、R₁R₂-Si-X₂、R₁R₂R₃-Si-X。疏水基团R优选为烷基、全氟烃基、苯基或全氟苯基基团。结合基团X优选为-OH(硅烷醇)、-X(卤化物、例如-Cl)、-OR(酯，例如-OCH₃)、NH₂(胺)或-SH(疏基硅烷)。此外，可以使用脂肪族或环族硅氮烷-Si-NH-Si，例如六甲基二硅氮烷。同样合适的有R_y-Me-X_z类型的化合物，Me例如为Zr、Ti。

本发明的压力传感器特别为相对压力传感器，其中通过用作参考空气供应源的压力室开口进行气相淀积。

虽然形变体基本上可以具有任何形状，但是基本上优选为形变体膜，其在边缘上附接至基体，这导致了压力室的形成。

本发明一般适用于任何压力传感器，但是由于上述的理由，对于具有陶瓷基体和陶瓷测量膜的压力传感器特别重要。本发明特别涉及刚玉陶瓷的压力传感器。

用于用疏水材料涂敷压力传感器的本发明的方法包括以下步骤：把传感器放在一个室中；抽空该室；以及提供至少一涂敷气相，其中压力传感器的温度T_S被设置为使得可以在压力传感器的表面上从第一涂敷气相中吸附分子。

优选为，该方法包括涂敷压力传感器内的压力室的壁，涂敷通过压力室内的开口进行。

在本发明的方法的优选实施例中，在提供至少一涂敷气相之后抽空该室。这便于未被吸附的分子从该压力室排出。但是，进行的方式对于本发明的方法不是必要的，而是只是可选的。在提供至少一涂敷气相之后，也可以用气体冲洗该室，冲洗优选地在抽空该室之后进行。但是，这种冲洗对于本发明也不是必要的。

在吸附了疏水材料之后，可以提高压力传感器的温度T_s，以影响吸附材料的变化并引起其对衬底的化学粘附。此外，这表示了可以实现从压力室蒸发多余材料的方式。

该室的壁优选地保持在温度T_K上，其防止了至少一涂敷气相的分子凝聚并使吸附达到最少。

在本发明一个变型中，在一个室中处理压力传感器，其中经由针对于压力传感器的各个压力室的适当的通道导入气相。通过这种方式，只处理了压力传感器的内部。

在另一变型中，压力传感器被安置成使得不仅处理传感器的内部还处理传感器的外表面。当在传感器的基体上放置具有湿敏电子元件的所谓混合组件时，这特别有利。

在本发明的又一实施例中，疏水涂层通过一系列两个或更多吸附步骤来形成。为此目的，首先，提供包含结合物质的第一气相，其被吸附在压力室的壁上并被化学键合。然后，提供与结合物质发生反应的第二物质，以便形成双层的疏水层。如果要求的话，可以用这种方式添加附加层。

要形成由多个层组成的疏水层则更加复杂，但是在一些情况中，可以改善疏水涂层的质量，因为两个或更多短分子可以键合在一起来实现所需的特征。由于较短的分子的质量较低，所以进行表面扩散处理时这些较短的分子比较重的分子更易于蒸发且具有更大的迁移性，因此可以形成具有更大一致性的薄膜并在一些情况中可以更加迅速地形成。

附图说明

本发明的进一步优点和各方面将从下面对实施例的示例和附图的描述变得更加明显，在附图中：

图1是本发明的压力传感器的平面图；以及

图2是沿图1的切割面AB切开的本发明的压力传感器的正视图。

具体实施方式

图1和2示出了电容陶瓷压力传感器10。陶瓷材料例如是具有96wt％至99 wt％纯度的上述氧化铝。压力传感器10具有呈圆形盘形状的膜11，该膜11具有面平行的表面。此外，压力传感器10包括基体12，除了比膜11厚之外，基体12具有与膜11相同的形状。

如上所述，膜11和基体12沿其整个圆周在其各个边缘上钎焊在一起，通过***间隔20相互隔开d。这在大约900℃的温度的高真空下进行。由于存在间隔d，膜11和基体12形成了室13。膜11细长且弹性，因此在作用在其上面的压力的作用下其可以弯曲，因此来回移动。

电极14和15被放置在膜11和基体12的互相相对的表面上。电极优选由钽形成且其互相相对的表面被二氧化钽的保护层21和22覆盖。参见在上述的美国专利No.5,050,034中对此的说明。代替基体12上的单个电极15，还可以在其上面提供多个电极。

但是，为了进一步降低所留下的粗糙度，其是用于实现本发明的目的的第一步骤，除了通常的磨光或可选的研磨之外，还在施加电极15之前抛光基体12的表面。优选地，抛光把粗糙度降低至小于0.05μm。这种抛光显著降低表面对上述的水分子的不利淀积的接受度。但是，如果将要使用疏水注入物，则抛光并不是绝对要求的。

电极14完全覆盖膜11，因此在接合期间自身与活性钎焊材料的间隔20连接。与此相反，基体12的电极15的施加使得其没有与间隔20电连接。电极14和15通过上述的溅射方式而施加，其在基体12的电极15的情况中通过所说明的掩膜来完成。

最后，位于基体12中的是孔23，其例如在生坯阶段形成。孔23穿过电极15，因为该室末端上的开口不是通过把电极溅射到基体上而密封的。因此，压力室13不是密封的，而是相反地，开放向外部，当然这对于相对压力传感器是基本必要的。

因为在基体12的抛光表面上不能避免上述的溅射不足，所以每个已接合的压力传感器10的压力室13其里面涂敷有疏水材料的薄层24。层24如图2所示，为了清楚显示，只示出在没有被电极15覆盖的基体12的表面上。但是，层24完全覆盖围绕压力室13的空腔的所有表面。

首先，疏水层24对于所有的水淀积，不仅钝化由于欠溅射而导致的电极材料的上述岛，还钝化位于在这些岛之间的基体12的表面区域，其具有在硬度加工(即磨光和/或抛光)之后所剩余的粗糙度和具有细裂缝。通过这种方式，上述的电极表面的多余部分实际上被完全除去了，如在所示出的优点讨论中给出的测量值。

疏水涂层的施加通过优选地把一组多个压力传感器放在一个室中来实现。

因为由于上述的烧结和接合以及高真空处理而使压力传感器的表面特别干净，所以不需要进行对单元的预处理。这对于获得具有良好粘附性的疏水层24是个理想的开始条件。

把压力传感器放置于温度T_s下，其一方面实现了用于形成规则层的疏水分子的表面扩散，另一方面没有立即导致吸附的疏水分子脱附。同样可能的是温度T_s导致疏水分子的凝聚。这影响了通过提供临时温度升高而使分子密度增加(多余材料可以在处理之后释放)。

此外，该室用对于本目的完全足够的1.0mbAr至0.001mbar的压力抽空。

然后，提供包含适当的疏水分子的气相，例如通过把包含该材料的容器放在该材料具有从1mbar到大约1bar的蒸气压力的温度下。容器或者直接位于该室中或者位于通过片阀与该室隔开的侧室中。

可选地，容器被放置在其同时覆盖该容器的支承板之下，且具有多个其直径优选地对应于孔23的通道。在这种情况下，压力传感器被安置在支承板上，压力传感器的孔23总是与穿过支承板的通道中的一个通道对齐，对压力室的涂敷通过该孔进行，因此疏水材料被优先地引导入压力室。如果必要的话，通道可以由滑阀关闭，其容许对压力传感器的处理时间的充分精确的控制。

在气体和/或蒸汽处理进行足够长的时间之后，重新抽空该室。但是，这只是对于该方法的一个选项且不是绝对必要的。

在本发明的这个实施例的最后，一方面为了排出可能多余的材料，另一方面为了影响在室壁上的疏水材料的化学键合，增加压力传感器的温度T_S。通过这种方式，压力室的壁注入有稳定的疏水薄膜，其通过降低对水分的敏感度而达到了所需的改善程度。

Claims (24)

1.一种用于测量压力的压力传感器，其具有：

传感器室；以及

形变体，其可以被供给要测量的压力下的介质，并且其另外至少在该室的部分上密封传感器室，使其与介质压力密封；

其中传感器室的壁具有疏水涂层，其特征在于，

该疏水涂层通过气相淀积而施加。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其中该压力传感器是相对压力传感器，并且传感器室具有一室开口，可以通过该开口供应参考压力。

3.如权利要求2所述的压力传感器，其中气相淀积通过室开口进行。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的压力传感器，进一步包括基体，其中形变体呈膜的形式，其边缘被固定住，以在基体与膜之间形成传感器室。

5.如前面的权利要求中的任一项所述的压力传感器，其中形变体包含陶瓷材料。

6.如权利要求4所述的压力传感器，其中基体包含陶瓷材料。

7.如权利要求5或6所述的压力传感器，其中陶瓷材料包含氧化铝陶瓷，特别是刚玉。

8.如前面的权利要求中的任一项所述的压力传感器，其中压力传感器是电容压力传感器，其在压力室中具有电极。

9.如前面的权利要求中的任一项所述的压力传感器，其中疏水涂层包含硅烷。

10.一种用于用疏水材料涂敷压力传感器的方法，包括以下步骤：

把传感器放在一个室中；

抽空该室；以及

提供至少一个涂敷气相，其中压力传感器的温度T_S被设置为使得可以在压力传感器上从第一涂敷气相中吸附分子。

11.如权利要求10所述的方法，其中该方法包括通过压力室内的开口涂敷压力传感器内的压力室的壁。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中，另外地，在提供至少一个涂敷气相之后抽空该室。

13.如权利要求10或11所述的方法，其中，另外地，在提供至少一个涂敷气相之后，用第二气体冲洗该室。

14.如权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，另外地，为了影响吸附材料的变化或化学键合，提高压力传感器的温度T_S。

15.如权利要求10至14中的任一项所述的方法，其中该室的壁保持在温度T_K上，其使至少一个涂敷相的分子的吸附达到最少。

16.如权利要求10至15中的任一项所述的方法，其中疏水材料包含具有一或多个疏水基团R和一或多个结合基团X的硅烷。

17.如权利要求16所述的方法，其中硅烷具有R-Si-X₃、R₁R₂-Si-X₂或R₁R₂R₃-Si-X的形式。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中疏水基团R为烷基、全氟烃基、苯基或全氟苯基。

19.如权利要求16至18中的任一项所述的方法，其中结合基团为硅烷醇、卤化物、酯或胺。

20.如权利要求10至15中的任一项所述的方法，其中疏水材料包含脂肪族或环族硅氮烷，特别是六甲基二硅氮烷。

21.如权利要求10至15中的任一项所述的方法，其中疏水材料包含R_y-Me-X_z类型的组合物，其中Me是金属，特别是Zr或Ti，R是疏水基团且X是结合基团。

22.如权利要求10至15中的任一项所述的方法，其中疏水材料包含疏基硅烷。

23.如权利要求10至22中的任一项所述的方法，其中压力传感器的温度T_S选择为足够低，使得疏水材料凝聚在传感器的表面上。

24.如权利要求10至23中的任一项所述的方法，其中为了保护电元件不受水分侵害，涂敷传感器的所有表面，包括电元件的表面。